露天煤矿开采区生态环境要素响应分析

孙德全

(山东省煤田地质规划勘察研究院,山东 济南 250100)

煤炭是当前国内的主要能源之一,在促进经济发展的同时,长期的煤炭开采也给当地的生态环境带来重大影响,露天煤矿开采首先影响的是地下水,从而改变区域土壤的含水率、矿物质等情况,最终导致矿区植被和动物群落的多样性改变,找到地下水与土壤环境之间的内在联系,对于矿区生态环境保护与恢复具有重要意义[1-2]。

吕文星等[3]从调水效益、保土效益和植被恢复3个指标出发,对陕西省神榆矿区西湾露天煤矿的水土保持效果进行了定量和定性分析,认为设计方案和工程措施具有良好的治理效果和生态效应;田会等[4]建立起综合扰动程度评价指标体系,对露天煤矿的环境影响进行定量评价;宋子岭等[5]建立起露天矿绿色开采理论体系和开采目标函数,提出了露天开采与生态环境一体化技术;孟庆俊等[6]对灵泉露天煤矿的人工生态恢复进行了生物多样性评估,认为人工恢复措施可以对煤矿周边生态环境起到快速修复的作用;王杨扬等[7]基于生物多样性对露天煤矿开采区的土地复垦工作进行了研究,从土壤种子库、复垦年限及施肥等方面分析了复垦措施对生物多样性的影响。

当前,露天煤矿主要分布于生态脆弱的半干旱草原地区,煤矿开采加剧了当地的生态环境恶化,带来土地荒漠化等一系列问题,对当地的畜牧业造成了一定影响[8-10]。研究在总结前人经验和理论的基础上,开展地下水与土壤环境响应的分析,揭示了露天煤矿开采影响下地下水与土壤质量之间的相互关系,为矿区生态环境保护和修复提供借鉴。

1 研究区概况

伊敏煤田位于内蒙古鄂温克族境内,平均可开采厚度为85.29 m,煤炭资源总量约为17.7 GT,其中半数以上均可露采,煤田地区富水性强,地表水、大气水补给和地下承压水均较丰富,地下水运移与含水层之间,含水层与隔水层之间具有一定的特点,水文地质较为复杂。煤矿区地层较为复杂,可分为泥盆系、寒武系、石炭-二叠系、第四系以及白垩系;煤矿区气候属于温带大陆性季风气候,多年平均气温-1.9 ℃,多年平均降水量375 mm,且降水主要集中在6—9月,多年平均水蒸发量为1 170 mm,最大积雪深度20 cm以上,最大冻土深度2 m以上。伊敏煤田地理位置示意见图1。

图1 伊敏煤田地理位置示意

2 取样点布置

以煤矿区采坑为中心,由内向外布设6条不同的取样线,每条取样线从采坑中心开始每隔一定距离取一个点进行测试,每个测试点均采集地下水埋深、土壤含水率、土壤含盐量、土壤有机质、pH值、溶解性固体总量(TDS,total dissolved solids)等参数,然后对数据进行分类统计,分别研究地下水水位、pH值以及TDS与各土壤环境因子的关系,找出二者的响应关系。取样点位置如图2所示。

图2 取样点位置示意图

3 地下水与土壤环境响应分析

3.1 地下水位埋深与土壤环境的关系

采用等间距差值法对勘测数据进行整理,得到了地下水位与土壤环境各要素之间的空间分布对应关系(见图3)。从图3(a)中可以看到,煤矿开采中心附近的地下水位明显小于矿区周边的地下水位,在长时间的没盐开采及疏排地下水过程中,逐渐形成了以采坑为中心的地下水降落漏斗,与原有的地下水位相比,采坑中心的地下水位下降达100 m以上,地下水流动方向也由四周向采坑中心聚集。从图3(b)可看到,在靠近采坑周边区域,土壤含水率基本为2%～4%,而在远离采坑区域,土壤含水率为6%～8%,可见在一定程度上地下水位与土壤含水率之间呈正相关,地下水位越深,土壤含水率越高,这是因为在半干旱的草原地区,土壤水的主要来源之一为地下水,地下水下降越大的地方,对土壤水的补给能力越弱,因此,土壤含水率越低。从图3(c)可以看到,采坑中心区域的土壤含盐量在200～400 μs/cm之间,西部、东北部以及局部地区的含盐量最大达到600～1 000 μs/cm,可见地下水位与土壤含盐量之间呈正相关关系,即水位越深,含盐量越高,这是因为在半干旱草原地区,降水量少而蒸发量大,地下水在蒸发作用后会出现盐分的相对富集,同时部分地下水流向采坑中心,部分盐分富集于渗流通道内,造成该区域的土壤含盐量较高。从图3(d)可以看到,土壤有机质在空间分布上较含水率和含盐量的分布复杂,并没有较为明显的相关关系,在采坑周边区域,土壤的有机质含量介于30～40 g/kg,而在地下水位较高的区域则有机质含量相对较低,但沿着采坑中心向周边辐射时并没有呈逐渐降低趋势,二是呈忽高忽低的变化关系,这是因为内蒙草原地区的畜牧业十分发达,而养殖废水和粪便等没有经过合理的排放,因此造成了有机质含量忽高忽低的现象。

图3 地下水位与土壤环境分布关系

3.2 地下水pH值与土壤环境的关系

同理,利用等间距差值法得到地下水pH值与土壤环境的分布关系(见图4)。从图4(a)可以看到,开采区及周边区域的地下水均呈弱碱性,pH值介于7.4～7.8之间,pH值较高区域主要集中于西部和东北部,这与含盐量的分布情况较为类似,即地下水pH值越大的地方,土壤含盐量越高,这是因为在干旱-半干旱的草原地区,降水量较小而蒸发量较大,地下水由于蒸发作用而使得盐分聚集在地表附近,形成典型的盐碱土,因此含盐量越大、pH值越大。从图4(b)可知,在pH值越高的区域,含水率越低,这正好跟含盐量不同,因为pH值越高的地方,土壤中的碳酸盐岩和硫酸盐岩等矿物质就会越多(即含盐量越高),土壤出现固化板结的现象越明显,使得土壤含水率越低;从图4(c)、(d)可知,西部和东部地区的有机质含量较低,这与pH值的分布比较相似,pH值较高的地方有机质含量也较高,但也有局部地方出现反差,如西部盆地地区,因此,相较于含盐量而言,有机质与pH值之间的正相关关系不是很明显。

图4 地下水pH值与土壤环境分布关系

3.3 地下水TDS与土壤环境的关系

同理,采用等间距差值法得到的地下水TDS与土壤环境的分布关系见图5。从图5(a)中可以分析得到:煤矿开采区周边区域的地下水TDS呈东北-西南片区低,东南和西北片区高的整体分布格局,这与土壤含水率和含盐量的分布相反,因此,TDS与土壤含水率和含盐量之间呈负相关关系,究其原因主要是由于地下水经历“水走盐留”的过程后,使得TDS不断升高的同时,含水量逐渐流失,但与含盐量为何呈负相关,这可能与人类干扰活动有关,如温度会引起TDS含量的极大变化,土壤有机质含量则与地下水TDS之间呈良好的对应关系,TDS越高,有机质含量越大,反之则反,这主要是因为强烈的蒸发作用使得盐分富集,同时加上畜牧业的发展和影响,使得地下水TDS与土壤有机质之间呈正相关关系。

图5 地下水TDS与土壤环境分布关系

3.4 地下水与土壤环境相关性分析

研究对地下水与土壤含水率等间距差值的相关性进行统计分析,得到了地下水位、地下水pH值以及地下水TDS与土壤环境各指标之间的相关关系(见图6)。从图6可知,地下水位与土壤含水率、土壤含盐量以及土壤有机质之间均呈显著正相关关系,相关系数分别为0.23、0.32和0.26;地下水pH值与土壤含水率之间呈显著负相关关系,而与土壤含盐量和有机质之间呈显著正相关关系,相关系数分别为0.43和0.14,与上述分析情况相符;地下水TDS与土壤含水率和土壤含盐量呈显著负相关关系,相关系数分别为-0.57和-0.18。因此,地下水TDS越高,则土壤含盐量和含水率越低,反之则反,地下水TDS与有机质之间呈显著正相关关系,相关系数达到0.92,可见地下水TDS与土壤有机质之间的变化响应最符合(相关关系最好),TDS越高,有机质越高,反之则反。

图6 地下水与土壤环境相关关系分析结果(均为0.01水平上显著相关)

4 结论

(1) 地下水水位与土壤含水率、土壤含盐量以及土壤有机质之间均呈良好的显著正相关关系,土壤环境指标随水位呈正方向响应,并与煤矿开采、当地气候及畜牧业生产有关。

(2) 地下水pH值与土壤含水率呈显著负相关关系,与土壤含盐量以及土壤有机质呈显著正相关关系,pH值与有机质之间的相关性相对较弱,仅为0.14。

(3) 地下水TDS与土壤含水率和土壤含盐量呈显著负相关关系,与土壤有机质呈显著正相关关系,相关系数达到0.92,这与地下水蒸发作用和畜牧业发展有关。

(4) 煤炭开采会给当地生态环境带来深远的影响,地下水与土壤环境是生态环境的受体以及信息载体,在一定程度上具有响应的相关关系,但受限于空间异质性,要想找出二者的耦合关系很难,研究仅以伊敏露天煤矿为例,分析了露天煤矿开采区生态环境要素响应关系,为当地的生态环境保护和修复提供依据,也为类似开采区的环境治理工作提供了借鉴。